STÄRKE Natürliche Bindemittel als Alternative für Latex Natürliche Binder werden heute als Hauptbindemittel für Vorstrich- und Einschichtfarben verwendet. Die Papier- und Kartonindustrie hat mit großem Aufwand an dieser Veränderung gearbeitet. Obwohl die Eigen schaften von Latices und natürlichen Polymeren sehr unterschiedlich sind, ersetzen natürliche Polymere den Latex in immer neuen Anwendungen, beispielsweise in Formulierungen für den Deckstrich oder Karton beschichtungen. Anstelle von Latex für den Deckstrich In der Karton- und Papierbranche hat sich die Konzeption von Binde mitteln in den letzten Jahren verändert. War früher synthetischer Latex das wichtigste und häufig einzig eingesetzte Bindemittel – natürliche Bindemittel fanden, wenn überhaupt, nur als Co-Bindemittel Anwen dung – so hat das Aufkommen der natürlichen Bindemittel, hauptsäch lich stärkebasierter Polymere, die Verhältnisse völlig umgekehrt. Roquette hat mit seiner STABILYS®-Produktreihe zu dieser Entwicklung beigetragen. Da die Produktentwicklung sich auch bei dieser Reihe stets an neuen Anwendungsmöglichkeiten und Innovationen orientiert hat, sind STABILYS®-Produkte heute in zahlreichen Anwendungen zur Ober flächenbehandlung bzw. als Latex-Ersatz zu finden. Wenn Papier oder Karton zwei oder mehr Beschichtungen aufweist, gestaltet sich die Entwicklung der Oberflächenfestigkeit komplexer als bei einfach gestrichenen Sorten. Verwendet man einen natürlichen Bin der wie Stärke als Hauptbindemittel im Vorstrich und 100 % syntheti schen Latex für den Deckstrich, so wird die Verträglichkeit von Vor- und Deckstrich kritisch. Tab. 1 zeigt, dass die Hydrophilie einer Beschichtung in dem Maße zu nimmt, wie Latex durch Stärke ersetzt wird. Die Streichfarbe besteht aus 100 Teilen CaCO3, der Bindemittelanteil ist in der Tabelle angegeben. Das mittelschwere holzhaltige Rohpapier wurde auf einem Pilot-Coater ge strichen. Tab. 1: Die Hydrophilie einer Beschichtung nimmt zu Die letzten verbliebenen Latex-Anteile sind am schwierigsten zu erset zen. Ein Grund dafür ist die schnelle Zunahme der Hydrophilie. Die che mische Verträglichkeit lässt sich verbessern, indem Stärke zum Deckstrich hinzufügt wird. So werden die Unterschiede zwischen den Beschichtun gen ausgeglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei Verwendung von Stärke im Deckstrich die Oberflächenfestigkeit zunimmt, wenn der Hauptbinder im Vorstrich natürlichen Ursprungs ist. Autor: Timo Pajari – STABILYS®-Marktentwicklung, Roquette GmbH, Kontakt: Gunter Nink, [email protected], 432 Wochenblatt für Papierfabrikation 6/2012 Abb. 1: IGT-Werte (trocken) – Wirkung von Stärke im Deckstrich Abb. 1 zeigt ein Beispiel: Hier enthält der Referenz-Vorstrich 100 Teile gemahlenes Calciumcarbonat (GCC), 6,5 Teile Styrol-Butadien- (SB-) La tex und 6,5 Teile STABILYS® A 025. Der Referenz-Deckstrich enthält 100 Teile GCC, und der Hauptbinder ist SB-Latex mit 10,5 Teilen. In den Versuchen wurden der Anteil der Stärke im Vorstrich auf 12 Teile erhöht und 3 Teile Latex verwendet. Für den Deckstrich (TC: top-coat) wurden 2 Teile des SB-Latex durch Stärke ersetzt. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass ein Ersatz von Latex auch für den Deckstrich in Betracht gezogen werden sollte, wenn die VorstrichFormulierung optimiert wurde. Dies gilt besonders für matte und seiden matte Offsetqualitäten, bei denen ein verminderter Latexanteil natürlich die Glanzentwicklung begrenzt. Andererseits verbessert sich der Druck glanz, und die übrigen Druckeigenschaften bleiben gleich. STABILYS® für gestrichene Kartons Ein neuerer Trend bei Beschichtungen ist der Einsatz von stärkebasierten Bindemitteln für den Kartonvorstrich. Dies hat eine Reihe von deutlichen Vorteilen, wobei die positiven Auswirkungen auf die Bindemittel-Kosten die wichtigsten sind. Da stärkebasierte Binder darüberhinaus tendenziell die Viskosität der Streichfarbe erhöhen, wird es möglich, den Anteil an Rheologie-Additiven wie Carboxymethylcellulose (CMC) und Polyvinyl alkohol (PVOH) zu reduzieren oder ganz darauf zu verzichten. Wird der Karton vor dem Streichen oberflächengeleimt, so besteht eine praktische Lösung darin, für Oberflächenleimung und Beschich tung das gleiche Produkt zu verwenden. Bei entsprechender Kapazität des Systems zur Stärkevorbereitung kann auf diese Weise der Latex ersetzt werden, ohne in einen neuen Kocher investieren zu müssen. Die Auswahl der Stärke ist dann ganz einfach: Es sollte STABILYS® oder ein ähnliches nichtionisches Produkt sein, da kationische Stärken sich nicht zum Streichen eignen, besonders wenn Kaolin-Clay-Pigment verwendet wird. Dies ist ein modernes Binderkonzept für gestriche nen Karton. Ein Vorteil von STABILYS® ist die im Vergleich zu oxydierten Stärken geringere CSB-Emission. (Abb. 2) Die zunehmende Verwendung von Streichstärken bei der Kartonbe schichtung ist unmittelbar einleuchtend, da durch die Oberflächenlei mung eine größere Steifigkeit des Kartons erreicht werden soll. So lassen sich niedrigere Grammaturen mit der gleichen Steifigkeit herstellen. STÄRKE Abb. 2: CSB von STABILYS® und oxydierter Stärke bei Anwendung in der Ober flächenleimung Die Verwendung von Streichstärke ist eine Erweiterung dieser Über legung. Ganz offensichtlich ist das Potenzial von STABILYS® für die Ober flächenleimung nicht auf Kartons beschränkt, sondern auch bei vielen unterschiedlichen Papiersorten nutzbar. Verbesserung des Trockensubstanzgehalts von Streichfarben Ein natürliches Streichbindemittel, das den Trockensubstanzgehalt von Streichfarben verbessern soll, klingt als Konzept zunächst etwas un gewöhnlich. Normalerweise ist es so, dass bei den im Kocher hergestell ten herkömmlichen Produkten der Trockensubstanzgehalt von Streich farben in zweifacher Hinsicht begrenzt wird. Zum einen ist es mit den herkömmlichen Kochverfahren schwierig, den gleichen Feststoffanteil wie synthetischer Latex zu erreichen (50 %). Der andere Grund ist der Einfluss der natürlichen Bindemittel auf die Viskosität der Streichfarbe, besonders bei hoher Scherwirkung. Diese beiden Hindernisse gilt es zu überwinden, wenn ein höherer Anteil an Feststoff in der Streichfarbe erreicht werden soll. Das erste Problem lässt sich auf zwei Arten lösen: Einmal durch den Einsatz von kaltlöslichen Stärken, die der Streichfarbe in Pulverform zu gefügt werden, oder aber durch die Verwendung eines modernen Ko chers, der Binderlösungen mit einem Endgehalt von bis zu 50 % Feststoff herstellen kann. Roquette verfügt über die Produkte und Technologien für beide Wege. Zur Lösung des zweiten Problems – hohe Viskosität der Streichfarbe – muss die Einwirkung des Bindemittels auf die Viskosität bei hohen Scherraten begrenzt werden. STABILYS® A 053 und STABILYS® A 046 sind Produkte, die sich nur in geringem Maße auf den Rakel- oder Blade-Druck auswirken und es so ermöglichen, den Trocken substanzgehalt der Streichfarbe zu erhöhen. Beide Produkte sind in kaltem Wasser löslich und können direkt in die Streichfarbe einge tragen werden. Abb. 3: Beispiel für die Wirkung von natürlichen Bindemitteln auf die High-ShearViskosität von Streichfarben Abb. 3 zeigt das Potenzial zur Erhöhung des Trockensubstanzgehalts der Streichfarbe durch Veränderung des verwendeten Stärketyps. Die Streichfarben enthalten jeweils 60 Teile GCC, 40 Teile Clay, 6 Teile Stärke und 7 Teile SB-Latex. Die Referenz-Stärke ist hier STABILYS® A 025. Hält man alle übrigen Parameter gleich und verändert nur die Sorte der verwendeten Binderstärke, so nimmt die High-Shear-Viskosität ab. Dies ist einer der notwendigen Parameter, wenn der Trockensubstanzgehalt der Streichfarbe erhöht werden soll. Normalerweise werden herkömmliche gekochte Binderstärken wegen ihrer höheren Bindekraft bevorzugt, unter rheologischen Gesichtspunk ten jedoch liefern STABILYS® A 046 und STABILYS® A 053 einen realisti schen Ansatz zur Erhöhung des Feststoffgehalts von Beschichtungen. Zusammenfassung STABILYS® A ist eine vielseitig einsetzbare Produktreihe von natürlichen Bindemitteln zur Anwendung in der Papier- und Kartonherstellung. Für den Vorstrich finden natürliche Binder bereits als Hauptbindemittel Ver wendung. Durch den Einsatz von Stärke in Rezepturen für den Deckstrich lassen sich nicht nur die Gesamtkosten reduzieren, sondern darüber hinaus Qualitätsvorteile in Bezug auf die Oberflächenfestigkeit erzielen. In Rezepturen für Vor- und Zwischenstriche bieten natürliche Bindemittel ein Potenzial zur Optimierung des Bindersystems. Eine äußerst praktische Lösung ist die Verwendung eines vorhandenen Systems zur Stärkeaufbereitung für die Oberflächenleimung. STABILYS® A ist besser für die Kartonherstellung geeignet als oxydierte Stärken, da es nichtionisch ist und sich weniger auf den CSB auswirkt. Zwischen der Bindekraft und den High-Shear-Fließeigenschaften von natürlichen Bindemitteln ist je nach vorgesehener Endanwendung ein Kompromiss zu finden. Wenn die High-Shear-Viskosität einer Streichfar be von entscheidender Bedeutung ist, können Rheologie und Feststoff gehalt durch die Verwendung von Bindern wie STABILYS® A 053 und STABILYS® A 046 optimiert werden. Schnelle Nachrichten an die Redaktion auch über E-Mail: [email protected] 6/2012 Wochenblatt für Papierfabrikation 433
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